Физические упражнения защитили мышцы от вызванной воспалением дистрофии
Ученые подтвердили, что физические упражнения предупреждают потерю мышечной массы, слабость и дисфункцию мышц, вызванную хроническим воспалением. Например, хроническими обструктивными заболеваниями, ревматоидным артритом, перенесенным гриппом или вследствие цитокинового шторма в течение ковида. Проведенное исследование также доказало, что разработанная учеными 3D-модель мышечной ткани может использоваться и в дальнейшем для изучения воспалительных заболеваний мышц in vitro. Cтатья опубликована в Science Advances.
Скелетные мышцы составляют около 45 процентов массы тела человека, и их способность сокращаться необходима для поддержания жизнеспособности. Здоровые мышцы могут регенерировать после незначительных травм с помощью мышечных стволовых клеток. Этот процесс запускается вследствие местного и системного воспалительного ответа, в частности, цитокин интерферон-гамма (IFN-γ) регулирует процесс формирования мышечной ткани. И если воспаление, возникшее вследствие травмы, побуждает мышцы к регенерации, то нерегулируемые воспалительные процессы, которые характерны для некоторых заболеваний, приводят к потере мышечной массы и мышечной слабости. К таким заболеваниям относятся, например, хронические обструктивные легочные заболевания, ревматоидный артрит и дерматомиозит. Кроме того, повышенный уровень IFN-γ в крови обычно наблюдается после гриппа или цитокинового шторма вследствие тяжелого течения ковида.
Связь хронического воспаления и мышечной дистрофии была подтверждена экспериментами на грызунах и клиническими исследованиями. Соответствующих исследований in vitro проведено не было из-за отсутствия подходящих моделей: обычная культура мышечных клеток не воспроизводит многих свойств мышечной ткани. Предыдущие работы позволяли предположить, что IFN-γ влияет на мышцы в результате активации сигнального пути JAK/STAT.
Ранее группа исследователей из Дюкского университета (США) под руководством Ненада Бурсака (Nenad Bursac) разработала 3D-модель человеческих скелетных мышц («мышечные пучки»). Тогда ученые показывали, что мышечные пучки отвечают на электрическую стимуляцию, имитирующую физические упражнения, соответствующими изменениями в метаболизме и приростом в размере и силе. В новой работе эта же группа ученых описала механизм прямого влияния IFN-γ на структуру и функцию скелетных мышц, а также показала положительный эффект физических упражнений.
Ученые исследовали влияние IFN-γ на мышечные пучки, культивированные из клеток трех независимых доноров. На пучки воздействовали интерфероном в дозировке 20 нанограмм на миллилитр в течение недели, а затем проверяли, есть ли изменения в их структуре, биохимических и функциональных свойствах и в выделении сигнальных молекул цитокинов. При этом часть клеток в ходе эксперимента получала не только дозы интерферона, но подвергалась электрическому воздействию, который имитировал физические упражнения. Еще часть только «занималась спортом».
Мышечные пучки, которые получали IFN-γ, ослабли по сравнению с контрольной группой. Например, интерферон снизил амплитуду тетануса, длительного сокращения мышцы, на 68 процентов. Электрическая стимуляция улучшила показатели клеток, приблизив их к показателям контрольной группы, которая не подвергалась воздействию интерферона.
Само по себе воздействие интерферона к потере мышечной массы не привело. Однако те клетки, которые только «занимались физическими упражнениями», набрали больше массы, чем те, которые получали электрическую стимуляцию одновременно с дозами интерферона. Интерферон же снизил диаметр мышечных трубочек (8,8 микрометров против 11,3 микрометров у клеток из контрольной группы), а электрическая стимуляция обратила этот эффект. Схожая тенденция наблюдалась при измерении длины клеток. «Физические упражнения» также благотворно повлияли на экспрессию сократительных белков в клетках.
Воздействие интерфероном также повлияло на состав сигнальных молекул, выделяемых клетками: в среде повысилось содержание некоторых провоспалительных цитокинов. И этот эффект оказался обратим электрической стимуляцией клеток.
Электрическая стимуляция частично (на 50 процентов) ослабила активацию сигнального пути JAK/STAT в мышечных пучках. Это доказывает, что вдобавок к прямой пользе физических упражнений, существует определенный молекулярный механизм, обеспечивающий противовоспалительный эффект «физкультуры», который предотвращает ослабление мышц. Кроме того, существующие препараты-ингибиторы янус-киназы (JAK) тофацитиниб и барицитиниб в клинических дозах также предотвратили структурные и функциональные потери в мышечных клетках.
Таким образом, авторы работы показали, что физические упражнения напрямую препятствуют вызванной хроническими воспалительными процессами мышечной атрофии, и возможно сами по себе являются противовоспалительной терапией таких заболеваний. Кроме того, ученые отмечают, что добавление немышечных клеток в их модель, а также использование различных провоспалительных цитокинов и имитирующих упражнения режимов позволит и дальше исследовать механизмы воспалений человеческих мышц и разрабатывать эффективное лечение мышечных дистрофий.
О пользе физических упражнений для восстановления функций мышц после болезней ученые и медики говорили и ранее. Так, было показано, что утрата мышечного тонуса после травм или болезней обратима.
Вера Сысоева
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.